초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 적조 유발 유해조류의 현장 검출 및 해수의 실시간 모니터링을 위해 마이크로칩을 제작하는 것을 궁극적인 목표로 삼고, 이를 실현하기 위해 요소기술을 개발하고 최종적으로는 각 모듈을 기능적으로 연계시킨 소형 유전자분석 통합시스템을 구축하고자 하였다. 유전자 분석을 위해 필수불가결한 일련의 공정들, 즉, 시료의 전처리, 증폭 및 분리 검출을 유기적으로 연계시킨 일체형의 플라스틱 미세유체칩을 제작하고, 복잡한 밸브 조절 없이도 단일 흐름에 의해 전 기능을 원스텝으로 구동시키고자 하였다. 이를 위해

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 적조 유발 유해조류의 현장 검출 및 해수의 실시간 모니터링을 위해 마이크로칩을 제작하는 것을 궁극적인 목표로 삼고, 이를 실현하기 위해 요소기술을 개발하고 최종적으로는 각 모듈을 기능적으로 연계시킨 소형 유전자분석 통합시스템을 구축하고자 하였다. 유전자 분석을 위해 필수불가결한 일련의 공정들, 즉, 시료의 전처리, 증폭 및 분리 검출을 유기적으로 연계시킨 일체형의 플라스틱 미세유체칩을 제작하고, 복잡한 밸브 조절 없이도 단일 흐름에 의해 전 기능을 원스텝으로 구동시키고자 하였다. 이를 위해 구체적으로는, 시료 전처리 시스템, 유전자 증폭 시스템, 그리고 유전자 검출 시스템을 구축하였고, 장비의 휴대성을 향상시키기 위해 펌프 및 히터 등의 구동 악세서리를 소형화시켰다.

연구결과
유전자 분석에는 시료 전처리, 증폭 및 분리 검출 등의 일련의 과정이 수반되며, 휴대형의 통합된 미세유체칩을 제작하기 위해서는 각 기능을 유기적으로 연계시킬 필요가 있다. 본 연구에서는, 시료 전처리, 증폭, 분리 검출을 위한 모듈 제작 및 이들 간의 유기적인 연계 및 부수기재의 소형화를 통해 휴대형의 통합 유전자분석 시스템을 제작하고 적조 검출에 활용하고자 하였다. 본 연구에서 획득된 결과는 구체적으로 다음과 같다.

○ 마이크로칩을 제작하는데 사용되는 플라스틱의 표면과 유전자간의 상호작용을 통해 해수를 마이크로칩에 고속으로 흘려보내줌으로써 시료를 마이크로채널에 농축시킨 후 그 상태로 연속흐름 중합효소연쇄반응을 수행함으로써 마이크로채널에서 시료 농축 및 증폭 효과를 얻고자 하였다. 우선, 플라스틱 기판 종류별로 세포 부착성능에 차이를 보이긴 했지만 세포 표면 전하와 플라스틱 표면간 상호작용으로 세포가 부착하는 현상을 확인하였고, 이 상태에서 대표적인 유전자 증폭 기법인 중합효소연쇄반응(PCR)을 마이크로채널 내에서 수행하고 타깃 물질을 전기영동 기법을 통해 확인하였다. 이를 통해 마이크로채널이 내재적으로 갖는 표면화학작용기가 세포를포집 및 농축시키는 기능이 있음을 확인하였다.
○ 유전자 증폭을 수행하기 위해 연속흐름 PCR 및 챔버타입 PCR등 다양한 타입의 마이크로반응기를 제작하여 소형 유전자 증폭 시스템을 구축하였다. 플라스틱 PCR 칩을 제작하여 유전자를 증폭한 결과, 성공적으로 유전자가 증폭됨을 확인하였다. 이러한 선제적 연구를 통해 필요에 따라 연구목적에 맞게 자유자재로 PCR 타입을 선택할 수 있는 다양성을 확보하였다.
○ 유전자 증폭 및 검출 기능을 신속하게 구현하기 위해 solid-phase PCR (고상 중합효소연쇄반응) 칩을 제작하였고, 유전자 검출의 성능 분석을 수행하였다. 우선, 유전자 가닥을 PCR 반응기 표면에 부착함에 있어서 열적 안정성 및 화학적 내구성을 갖도록 플라스틱 기판 표면을 화학적으로 개질화시켰고, 검출 타깃 유전자와 상보적으로 결합하는 핵산 단편 유전자가 안정적으로 고정화됨을 확인하였다. 그런 다음, 챔버 타입 PCR을 수행함으로써 유전자가 챔버내에서 증폭되면서 동시에 형광 검출이 이루어지도록 시스템을 구축하였고, 다중 시료의 동시 검출에 적용될 수 있음을 확인하였다.
○ 연구를 수행하면서 시료주입에 필요한 펌프를 소형화시키고 유체를 정속으로 이송시킬 수 있는 무전력 기반 소형 펌프를 제작하고 시료주입을 안정화 및 자동화시켰고, 대량의 해수를 고속으로 주입할지라도 칩이 파손되지 않는 플라스틱 칩 접합기법을 개발하여 높은 IF 저널에 다수의 논문을 게재하고 특허등록까지 마쳤다.

연구결과의 활용계획
본 연구에서는 유전자 분석에 소요되는 전 공정을 소형화, 집적화 및 자동화시킬 수 있다는 가능성을 보여줌으로써, 그동안 연구실에서 고가의 거대장비를 가지고 장시간 분석하던 공정을 대체할 수 있는 대안을 제시하였을 뿐만 아니라 해수에서 바로 채취한 조류를 가지고 현장에서 진단/검출이 가능한 수준으로까지 유전자 분석 가능성을 높이고 장비의 휴대성과 구동의 수월성을 향상시켰다. 이를 통해, 향후 적조 출현을 조기에 예측함으로써 피해가 확산되는 것을 미연에 방지하며 불필요한 화학물질의 살포를 억제함으로써 해양오염을 감소시키고 해양생태계를 보호하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 해양연구에 랩온어칩을 접목시킨 연구가 전세계적으로도 많지 않은 만큼, 특허 등록 등으로 확보한 다수의 원천기술들을 기업체에 기술이전하여 제품으로까지 상용화시킬 수 있을 것으로 사료되며, 이를 통해 글로벌 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대한다.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose& contents
Rapid on-site identification of harmful algal strain can provide warning on the advent of harmful algal bloom (HAB). In this project, we aim to develop a portable monolithic plastic Lab-on-a-Chip (LOC) device which can perform a series of genetic analyses rapidly on-site for ear

Purpose& contents
Rapid on-site identification of harmful algal strain can provide warning on the advent of harmful algal bloom (HAB). In this project, we aim to develop a portable monolithic plastic Lab-on-a-Chip (LOC) device which can perform a series of genetic analyses rapidly on-site for early detection of HAB. In specific, we develop new schemes for sample pretreatment and detection on chip and miniaturize polymerase chain reaction (PCR). Furthermore, we integrate above-mentioned individual functional modules into one integrated platform to realize sample-in-answer-out system realized in one continuous flow. We also develop simple and facile strategy for bonding plastic microdevices and miniaturize device accessories (heater and pump) to enhance device portability and automate the process.

Result
○ To construct sample pretreatment module, we adopted the innate property of the plastic material and its interaction with the nucleic acid of the target of interest, and developed a new principle based on this phenomenon. Plastic microchannel was flushed with a fluid containing the target, in high flow rate, and the attached nucleic acid was subsequently used for continuous-flow PCR. Although cell attachment phenomena were varied depending on the choices of plastics used, charge interaction between the pristine plastic surface and the cell enabled strong attachment of cell on channel wall, further ensuring sample preconcentration on the wall of microchannel.
○ We developed both continuous-flow type and chamber-type PCR microdevices, and proved their performance successfully. We can freely choose the type of PCR according to specific purpose.
○ We developed solid-phase PCR microdevice to realize both PCR and subsequent on-chip detection simultaneously for the purpose of integration. We developed thermally stable and chemically robust strategy for the covalent attachment of PCR primers and confirmed the fluorescence detection potential directly inside a PCR chamber immediately after PCR process. We further tested the potential of the microdevice for the simultaneous detection of multiple targets.
○ Besides developing the above main three modules, we also developed a new principle for pump-free and semi-automated sample transport employing tailor-made, miniaturized pump and heater. In addition, we introduced several novel principles to bond plastic substrates under room temperature and atmospheric pressure condition. By performing this research, we published 12 research articles with additional 3 articles in press, and 2 articles under process (Total of 17 articles related with this research). We applied 5 patents and registered 2 domestic patents.

Expected Contribution
The integrated monolithic plastic Lab-on-a-chip device enabled device miniaturization, integration, and process automation. This dispensed with the use of expensive and bulky instruments and greatly shortened the reaction time with high accuracy in obtaining the results. The improved portability and simple sample-in-answer-out operation realized in one continuous flow ensured the potential for direct analyses of seawater up to the level of on-site detection and identification of biological targets. Using this microdevice, early stage detection and treatment could be made possible, which could greatly assist in the prevention of ocean pollution caused by indiscriminate use of harmful chemicals in the ocean, preserving marine ecosystem. Since researches integrating studies of ocean environment and Lab-on-a-Chip are scarce, the research outputs and novelty acquired through patent registration and original articles published could be transferred to industry, and microdevices could be manufactured and commercialized, potentially preoccupying global market.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 3. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 20
• 5. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 23
• 6. 참고문헌 ... 23
• 7. 연구성과 ... 24
• 8. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 28
• 9. 기타사항 ... 28
• 별첨1 ... 29
• 별첨2 ... 43
• 끝페이지 ... 61